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"光帆2号”探测器成为首个纯太阳动力地球卫星


时间:2019-08-15  来源:  作者:  点击次数:


  广帆2号是一个5公斤重的立方体卫星。6月25日,它在肯尼迪航天中心的一枚太空猎鹰重型火箭上发射升空。7月2日,广帆二号探测器成功进入预定轨道,成为世界上第一颗纯太阳能地球卫星。7月23日,光帆二号成功地以太阳光为推力展开了航行,并在四天内将轨道高度提高了约2公里。

  骑马的想法由来已久

  事实上,光帆的概念早在20世纪20年代就已经出现了,当时的想法是用空间中的自由能——太阳能——来为宇宙飞船提供动力。但在随后的几年里,光帆的概念只出现在科幻小说中,直到1959年才出现第一篇关于光帆的学术论文。美国国家航空航天局(NASA)在20世纪50年代开始研究轻型帆,但由于美国和苏联之间的竞争以及载人月球计划,这项技术在20世纪60年代停滞不前。直到20世纪70年代,美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)的研究人员才计划发射一艘由光帆驱动的航天器与哈雷彗星“会合”,当时几乎不可能有其他技术,该项目很快就获得了美国国家航空航天局的批准。尽管由于技术限制和电力推进的竞争,该项目最终被放弃,但这是首次尝试使用轻型帆进行空间探索。“宽边2号”是第一艘在地球轨道上使用宽边推进的宇宙飞船,也是日本“伊卡洛斯”号成功使用“宽边”后的第二艘宇宙飞船。

  那么太阳光是如何为宇宙飞船提供能量的呢?

  清华大学航空航天学院副教授龚圣平说:“帆上覆盖着一层能反射阳光的金属薄膜。”“光子既有能量又有动量。”

  不同形式的帆有其优点

  龚圣平描述了广帆2号的“航行”:它首先被放置在一颗处于“打包”收缩状态的卫星上,然后扩散到太空,利用轻压力在轨道上攀爬。

  “有两种类型的光帆。一个是自旋,它是稳定的。另一种是三轴稳定的支撑形式,它们各有优缺点。该方法不需要支撑结构,结构简单,无需支撑结构即可获得较大的表面质量比。然而,航天器的旋转需要消耗一定的能量。Kuangfan2是一个支持模型,而日本的Ikaros以前有一个旋转模型。

  因为帆是由太阳光驱动的,其压力与帆距太阳距离的平方成反比,所以当帆远离太阳时,它的加速度会大大降低。因此,在靠近太阳的太空任务中,帆具有更大的优势。但是帆的持续加速也可以用来探测远离太阳的空间,这就要求帆在光压力变得太小之前加速到非常高的速度。

  龚圣平说:“一个面积为一平方公里的轻型帆船只会受到大约9牛顿的力。”目前,帆面上覆盖的金属涂层材料几乎都是铝,几乎是利用阳光的90%,虽然光压力很小,但如果我们能使帆面足够轻,使其表面质量比足够大,我们仍然可以得到一个L。大气压加速度。

  龚圣平说:“根据突破性星空计划的提议,表面密度为0.2 g/m2的帆在地球附近的速度可以超过0.04 m/s。”

  激光驱动将在未来飞得更远

  2016年,霍金在微博上提出了“突破明星拍摄计划”。该项目旨在开发一种由激光阵列驱动的“纳米飞机”,其速度可达光速的五分之一,在发射约20年后到达半人马座阿尔法星系,并在那里发回行星照片。

  龚胜平说:“这个计划目前只是一个想法。在这种情况下,航天器的质量只有3.6克,帆膜的厚度约为1000纳米。它还要求激光强度达到2亿千瓦,这相当于三峡大坝产生的能量。

  帆最大的优点是航天器不需要携带燃料,理论上可以在材料失效前在太空飞行。因此,一些传统航天器无法完成的高能量和长期任务是可以完成的。

  “然而,目前对轻帆的研究仍处于验证阶段。”龚胜平表示,这款“光帆2号”是验证了使用伸缩杆展开、三轴稳定姿态控制、使用光压力爬坡等技术。

  “在不久的将来,随着光帆技术的进一步成熟,它将得到更广泛的应用。”龚升平告诉记者说。例如,在2020年,美国国家航空航天局(NASA)的NEA侦察任务将携带轻型帆去探测小行星。


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